Fused filament fabrication (FFF) of bio-based low-density polymer foams

Abstract

In einer Welt, in der der Leichtbau aufgrund der Notwendigkeit, Ressourcen zu schonen und die Treibhausgasemissionen zu senken, eine immer wichtigere Rolle spielt, ist es wichtig, neue Technologien zu entwickeln, die leichtere Produkte ermöglichen. Die additive Fertigung bietet aufgrund ihrer Gestaltungsfreiheit ein hohes Leichtbaupotenzial durch die Realisierung niedriger Bauteildichten, aber es ist noch nicht möglich, Polymerschäume mit niedriger Dichte zu drucken, um noch leichtere Teile zu erhalten. Daher wird in diesem Beitrag ein neuartiges, extrusionsbasiertes additives Fertigungsverfahren vorgestellt, bei dem ein biobasiertes Polymerfilament mit einem physikalischen Treibmittel zur Herstellung von Schaumteilen verwendet wird. Ein Extrusionsversuchsaufbau ermöglicht die Analyse der Randbedingungen der Schaumextrusion, d. h. der Beziehung zwischen Vorschubgeschwindigkeit, Heiztemperatur, Durchmesser des extrudierten Materials, Extrusionskraft und Dichte des extrudierten Materials. Niedrigste Dichten lassen sich durch niedrige Temperaturen und schnellstmögliche Einzugsgeschwindigkeiten bei diesen Temperaturen erreichen. Eine umfassende Parameterstudie zur additiven Fertigung eines einfachen Schaumstofftestteils zeigt durchgängig niedrige Dichten von nahezu 100 kg/m3 bei ausreichender Druckqualität. Die Analyse der Schaummechanismen von drei ausgewählten Szenarien zeigt, dass die verwendete Berechnungsmethode eine ausreichende Vorhersagekraft für die Druckergebnisse besitzt. Mit der verwendeten Charakterisierung lassen sich Korrelationen der Expansionsgeschwindigkeit und -zeit des Polymers während des Drucks nach dem Druckprozess recht gut abbilden.